10.5.1. Introduction ... 180 10.5.2. Collecte des données ... 180 10.5.3. Traitement des traces de simulations de vol ... 181 10.5.4. Discussion ... 183
10.6. Conclusion ... 186 Synthèse ... 186
10.1. I
NTRODUCTIONL expérimentation présentée dans les sections suivantes a pour but d évaluer la possibilité
d appliquer avec succès nos propositions à des domaines autres que notre cas d étude et sur des traces enregistrées à partir d autres ST).
L hypothèse (H4) que nous cherchons à évaluer stipule que « Les contributions de cette recherche sont applicables à des domaines et environnements d’apprentissage autres que le cas d’étude autour duquel elles ont été développées ».
Spécifiquement, il s agit d évaluer pour un autre domaine que la chirurgie orthopédique percutanée et des traces issues dun autre STI que TELEOS, nos différentes propositions. Notre question de recherche est la suivante :
QR7 :Quelle est la généricité du modèle de représentation, du framework et de l’algorithme
proposés ?
Le domaine d application choisie est l aviation, un domaine impliquant des connaissances perceptivo-gestuelles, ainsi que des connaissances procédurales et empiriques. L environnement d apprentissage utilisé est le simulateur P)LOTE . Nous ferons plus loin une description détaillée
du domaine quant à la nature perceptivo-gestuelle des connaissances qu il implique et la pratique de l enseignement du domaine ainsi qu une présentation du simulateur P)LOTE . Nous
détaillerons ensuite les modifications apportées au simulateur dans une démarche
d enrichissement de ses fonctionnalités par des services tutoriels. Enfin, nous décrivons le processus de traitements des traces par les outils de notre framework et les résultats produits.
10.2. L
ED
OMAINE D’A
PPLICATION:
L’A
VIATION10.2.1. L’e seig e e t da s le do ai e
Au-delà de la simple manipulation d un avion, le pilotage implique de gérer un appareil dans un environnement complexe et dynamique. L enseignement du domaine vise à inculquer aux
apprenants le bagage de connaissances et de compétences nécessaires pour le faire en toute
sécurité. Cela passe par l entrainement régulier sur des simulateurs pleine échelle permettant de scénariser diverses situations de prise en main de l appareil.
Les situations de formation sont regroupées sous trois grandes catégories [Larrieu, 2008]:
Les situations simples faisant intervenir des stimuli visant à produire des réactions immédiates, sans ambiguïté
Les situations compliquées impliquant une combinaison de problèmes simples mais nombreux.
Les situations complexes pour lesquelles il n existe pas de réponse simple ou immédiate au moment où elles interviennent.
Pour des raisons pratiques d exploitation des simulateurs, les situations complexes sont
généralement les plus privilégiées dans la formation pratique des pilotes. Elles font intervenir les
connaissances décisionnelles et gestuelles liées à l application des procédures, les connaissances
Cela constitue un vide entre la formation théorique et pratique des pilotes [Mulgund et al. 1995; Remolina et al. 2004; Larrieu et al. 2005]. En effet, les connaissances déclaratives liées aux
concepts appliqués dans l exécution des procédures ne sont pas révisées au cours des entraînements. Au fil des simulations, les automatismes liés à l application des procédures se développent au détriment des connaissances déclaratives qui sous-tendent ces procédures. Par
exemple, la figure . illustre des concepts théoriques liés au décollage d un avion avec un
« excédent de puissance » et la procédure de décollage qui sera appliquée en situation réelle ou sur un simulateur. Ces connaissances théoriques vont progressivement faire place à l application
automatique des procédures à un certain niveau de répétition des tâches.
Figure 10.1. Décollage d’a io : concepts théoriques VS procédure
10.2.2. Le caractère multimodal des connaissances du domaine
Les connaissances déclaratives en aviation se réfèrent aux concepts explicatifs liés aux procédures
de manipulation de l appareil. La vitesse nécessaire pour le décollage de l appareil en considérant
son poids, la longueur de la piste et une altitude déterminée à atteindre au plus vite, en est un exemple. Les connaissances procédurales sont une combinaison des connaissances décisionnelles et gestuelles. Ces connaissances font références aux processus cognitifs liés à la prise de décision
se basant sur l état de l appareil et de l état du monde l environnement de l appareil ainsi qu aux habiletés motrices nécessaires à la manipulation de l interface de guidage (volant, manche).
La prise d information liée à l état de l appareil et à son environnement est hautement perceptuelle. )l s agit d une manière générale des analyses visuelles des indicateurs du tableau de bord et de la prise d information sur l environnement autour de l appareil ; de manière plus
poussée, dans le cas du pilotage aux instruments, l activité requiert des connaissances spécifiques Concepts théoriques
Mettre plein gaz avec les freins maintenus puis les lâcher.
Vérifier la puissance moteur (2600 tour/min disponible).
Ga de l’a e de piste alig e e t jus u’à e ue la itesse soit d’e i o 55 œuds
avec un cran de volet.
Le e le ez de l’a io et sta ilise la itesse à 7 œuds.
Maintenir cette vitesse tout le long de la montée.
Une fois à 300 pieds au-dessus du sol, rentrer le cran de volet.
La vitesse de montée doit être de 80 œuds.
Avion avec un excédent de puissance important Avion avec un excédent de puissance faible
sur la lecture des indicateurs pour la prise de décision lorsque la visibilité de l environnement est
réduite ou inexistante dans le cas de dégradations météorologiques.
Ces connaissances sont empiriques et souvent tacites. La mise en évidence des processus cognitifs motivant certaines décisions doit souvent passer par la verbalisation [Larrieu et al. 2005]. En contexte de formation, deux approches sont utilisées : l approche de performance qui cible
l accomplissement d une tâche donnée et l approche de compétence qui cible les aptitudes en
exigeant du pilote une explication déclarative de ses décisions.
Nous détaillons dans la section suivante la méthodologie utilisée pour capter différentes
modalités des interactions et des connaissances qu elles sous-tendent à partir de la plateforme PILOTE 2, utilisée dans le cadre de cette étude.
10.3. L
ES
IMULATEURPILOTE2
10.3.1. L’e vi onnement de simulation
L environnement de simulation de la plateforme PILOTE 2 reproduit le cockpit d un avion de
tourisme de type Cessna 172. Les commandes de vols sont simulées par des dispositifs physiques, les instruments du tableau de bord sont représentés virtuellement sur un écran, et la vue
extérieure de l appareil est reproduite sur trois écrans en affichage combiné Cf. Figure 10.2). Le logiciel de simulation utilisé est Flight Simulator X Edition Professionnelle de Microsoft.
Figure 10.2. L’e ironnement de simulation de la plateforme PILOTE 2
L écran affichant les instruments du tableau de bord est un oculomètre permettant de déterminer les moments o‘ le regard du pilote se porte sur ces instruments et ainsi d en déduire les prises d information du pilote sur l état de l appareil tout au long de la simulation. Des outils de
monitoring permettent de suivre l évolution de la session sur des ordinateurs distincts de l environnement de simulation. Parmi ceux-ci, l outil de monitoring des visualisations du pilote
permet d identifier le comportement perceptuel du pilote vis-à-vis des instruments du tableau de bord (Cf. Figure 10.3).
Figure 10.3. Monitoring des visualisations du pilote en temps réel
Sur la figure ci-dessus, on peut observer les positions du regard du pilote : à gauche, l image du tableau de bord est reproduite afin de faciliter l identification des différents instruments ; à droite,
seuls les contours des instruments analysés sont affichés. Chaque visualisation d un instrument
par le pilote est reportée de manière synthétique acronyme de l instrument et durée de lecture en milliseconde au bas de l écran de monitoring Cf. Figure 10.3 – partie encadrée en rouge).
Comparées à notre principal cas d étude, TELEOS, les zones d intérêt du simulateur de vol sont
moins complexes. Dans P)LOTE , les zones d intérêt sont les instruments du tableau de bord. Ces zones sont fixes et peu nombreuses comparativement aux différentes parties d une vertèbre et de l interface de simulation à prendre en compte dans TELEOS. Pour rappel, l affichage des zones et points d intérêt des vertèbres dans TELEOS changent selon l angle d affichage des radios prises
(voir section « 5.4. Les perceptions visuelles »).
Les zones d intérêt considérées dans P)LOTE sont les instruments suivants : - ASI (Air Speed Indicator) : Vitesse de l'avion par rapport à l'air
- AH (Artificial Horizon) : Horizon artificiel, indique l'assiette et l'inclinaison de l'avion
- ALT (ALTitude) : Altitude
- TC (Turn Coordinator) : Indicateur de virage et de symétrie de la trajectoire de l'avion
- DG (Directional Gyro) : Conservateur de cap, indique le cap suivi par l'avion
- RPM (Round Per Minute) : Vitesse de rotation du moteur, permet d'en déduire la puissance fournie
- FF (Fuel Flow) : quantité de carburant consommée par le moteur
10.3.2. Architecture du système
La plateforme P)LOTE est structurée comme un ensemble d agents logiciels pouvant être situés
sur des ordinateurs distincts et dont la communication entre agents est assurée par un bus de
données. Deux agents, le simulateur de vol et l oculomètre, fournissent l essentiel des données brutes sur l activité du pilote et l état de la simulation. Deux autres agents sont chargés d analyser
les données de perception et d en fournir une représentation symbolique. Un agent s intéresse à
reconnaître la phase de vol courante dans le tour de piste (Cf. Figure 10.8.). Un autre agent est
chargé d identifier la bonne exécution de procédures. Enfin, l ensemble de ces données est utilisé
pour l analyse des connaissances. Cette architecture est illustrée dans la figure . .
Figure 10.4. Architecture de la plateforme de simulation PILOTE 2
10.3.3. Description des traces
Les messages transmis par un agent sur le bus de données sont identifiées par les autres agents selon leur type et leur origine. Le type caractérise le contenu du message (ex. : « type:fixinzone » pour désigner les messages relatifs aux fixations dans des zones de l interface de simulation
envoyées par l oculomètre . L origine précise l agent émetteur du message. Les agents pouvant émettre des messages simultanément, cette précision permet d éviter aux agents récepteurs la confusion entre les messages qu ils ciblent. Ces informations d identification sont comprises dans
l entête des messages. Le corps des messages contient les informations structurées dans diverses variables selon son type du message ou l agent émetteur. La figure . illustre la représentation conceptuelle d un message.
Figure 10.5. Représentation conceptuelle d’u essage sur le bus de données de PILOTE 2 Le caractère « ; » est le séparateur des principaux paramètres du message. Type indique le type du message qui peut être suivi de plusieurs sous-types séparés par le caractère « : ». From précise
l origine du message, c est-à-dire, l agent du bus de données qui l a émis. Data précise le contenu du message.
Figure 10.6. Exemples de traces brutes envoyées par l’i te fa e de si ulatio de PILOTE
Selon qu une action a été exécutée par le pilote ou qu il s agit d information sur l état de la
simulation, le contenu des traces envoyées par l interface est différent. Cette différence est illustrée dans la figure 10.6. Si une action a été exécutée, le message est de type « event » et contient le timecode de l exécution de l action, le nom de l agent émetteur, le périphérique hébergeant l agent et le nom de l action exécutée. S il s agit de l état de la simulation, le message
est de type « variables » et peut contenir deux types de données différentes : « controls » ou
« dashboard ». Les données de type « controls » contiennent l état courant de toutes les commandes de l avion manette des volets, manette des gaz, etc. . Le type « dashboard » fait état des informations affichées par tous les indicateurs du tableau de bord (ex : vitesse, altitude, etc.). Cependant, en raison de certains bugs liés au logiciel de simulation, les actions exécutées à partir
de l interface n ont pas été prises en compte dans les traces enregistrées. Les actions devront de
ce fait être déduites par l opérateur de sémantisation de notre framework à partir des
changements des états de la simulation.
Les données envoyées par l oculomètre sont captés sous la forme du message illustré dans la figure 10.7.
Cet agent récupère les informations de visualisation lorsque celles-ci sont portées sur des
zones d intérêt de l interface de simulation. Le message capté rapporte le timecode de la
visualisation, le nom du dispositif oculométrique, le nom de la zone d intérêt visualisée et
la durée de la visualisation.
10.4. I
NTEGRATION DES
ERVICEST
UTORIELS DANS LES
IMULATEURPILOTE2
La plateforme PILOTE 2 ne disposant pas de services tutoriels automatisés dans sa version
dorigine, nous avons progressivement intégré des modules didactiques dans le système. Le premier travail réalisé en ce sens consistait à (1) modéliser les instructions relatives à
l application des procédures de vol pour un tour de piste ; (2) modéliser les variables de situation
qui permettront d évaluer les performances de l apprenti pilote. Dans la suite, nous décrivons ce
en quoi consiste un tour de piste, puis nous décrivons les compétences ciblées au cours de cette activité.
10.4.1. Exercice de référence pour les simulations de pilotage
Le tour de piste est l exercice de référence choisi pour l entrainement au pilotage d un avion dans
la plateforme PILOTE 2. Tel qu illustré dans la figure . , cet exercice est un vol simplifié
consistant à faire décoller l appareil d une piste et à le reposer sur la même piste après l enchainement d une suite de phases constituant un circuit autour de la piste.
Figure 10.8. L’e e i e du tour de piste en aviation
On peut distinguer les cinq principales phases de vol. )l s agit, dans l ordre, de la montée initiale, le vent traversier, le vent arrière, la base et l approche finale. Nous avons considéré en plus les phases d alignement et d accélérationde l appareil sur la piste juste avant le décollage rotation jusqu au passage des m ainsi que l atterrissage passage des m jusqu à l arrondi et la décélération de l avion sur la piste juste après l approche finale. Ces phases complémentaires font
La difficulté de l exercice peut être accrue en y ajoutant des perturbateurs liés au fonctionnement de l appareil ex.: panne d un instrument, panne électrique, etc. , à l environnement de l appareil
(ex. : météo réduisant la visibilité, vent traversier fort, longueur limitée de la piste, etc.) ou encore
en exigeant des manœuvres spécifiques. Ces manœuvres peuvent consister par exemple à
effectuer une « remise de gaz »au cours de l atterrissage, c est-à-dire à remettre l avion en vol juste
avant de toucher la piste; à effectuer un « touché », consistant à passer directement de la phase de
décélération à celle d accélération ; ou à effectuer une procédure anti-bruit exigeant une trajectoire spécifique.
10.4.2. Co p te es i l es da s le ad e de l’e p i e tatio
Cette section présente les principales compétences ciblées au cours d une session de simulation
par le biais des variables de situations que ce soit dans le cas d un tour de piste normal ou d un
tour de piste avec perturbateurs. Respect des vitesses
Cette compétence est évaluée en comparant la vitesse appliquée à la vitesse attendue ou conseillée
au cours d une phase de vol. Les principales situations impliquant une vitesse attendue bien
définie sont la rotation au moment du décollage, la montée initiale, la rentrée et la sortie des volets
et l approche finale juste avant l atterrissage. Respect des altitudes
Comme dans le cas précédent, il s agit de vérifier l altitude maintenue par le pilote dans différentes situations en comparaison à l altitude attendue ou conseillée dans chacune de ces situations.
L altitude attendue est définie d une manière générale sur l ensemble du tour de piste mais le
respect de la procédure est plus particulièrement critique lors de la rentrée et de la sortie des volets (et de la coupure de la pompe électrique sur certains types d avions .
Respe t des o figu atio s de l’appareil
La configuration de l appareil implique principalement l état des volets tout au long du vol. Le pilote doit être capable de mettre en place et de maintenir au besoin les configurations désignées pour chacune des phases de vol. Cette configuration est particulièrement jugée au cours du
décollage, de la préparation à l atterrissage et à de l atterrissage.
Lecture des instruments
Cet élément cible les contrôles visuels à effectuer tout au long du vol par le pilote. Les instruments
à visualiser varient d une situation à l autre ou encore d une phase à l autre. Ces contrôles visuels, de préférence réguliers, sont cruciaux pour assurer la configuration de l appareil et le respect des procédures.
10.4.3. Création des variables de situation
L élève pilote est évalué autant sur les actions effectuées influençant l état des outils de l environnement de simulation que sur son comportement lié aux perceptions visuelles. Chaque
variable de situation précise la phase qu elle cible, l outil de l environnement de simulation dont l état est évalué, et la valeur de l évaluation. Les outils ciblés par les variables de situation ainsi que le nombre de variables de situation, varient d une phase à l autre. Il en va de même des
contrôles visuels : les zones d intérêt à visualiser ainsi que leur nombre ne sont pas uniformes d une phase à l autre.
Tableau 10.1. Variables de situation du simulateur pilote selon les phases de vol
Phase Contrôles Contrôles visuels Variables de situation
ACCELERATION (ACCELERATION) Volets = 1 Vitesse 55 Gaz =TOGA ASI RPM ACC_volets-[valeur] ACC_vitesse-[valeur] ACC_gaz-[valeur] ACC_ctrl-[valeur] MONTEE INITIALE (UPWIND) Volets=0 OU Volets=1
SI Hauteur 300 ALORS Volets=1 Vitesse 70 ET Vitesse 80
Gaz = TOGA TANTQUE Hauteur 1000 Hauteur 1000 Vz 0 TANTQUE Hauteur 1000 ASI ALT UPW_volets-[valeur] UPW_vitesse-[valeur] UPW_hauteur-[valeur] UPW_vz-[valeur] UPW_ctrl-[valeur] ÉTAPE DE BASE (BASE) Volets=1
Hauteur 500 ET Hauteur 1000 (hauteur min non impérative)
Vz -3 ET Vz 0 ASI ALT VSI DG BAS_volets-[valeur] BAS_hauteur-[valeur] BAS_vz-[valeur] BAS_ctrl-[valeur] APPROCHE FINALE (FINAL) Volets > 0 Vitesse 60 ET Vitesse 70
Hauteur 500 (hauteur max non impérative)
Vz -3 ET Vz 0 ASI FIN_volets-[valeur] FIN_vitesse-[valeur] FIN_hauteur-[valeur] FIN_vz-[valeur] FIN_ctrl-[valeur] ATTERRISSAGE (LANDING) Volets=2 OU Volets=3 Vitesse 60 ET Vitesse 70 Vz -3 ET Vz 0
Aucun contrôle visuel spécifique attendu LND_volets-[valeur] LND_vitesse-[valeur] LND_vz-[valeur] DECELERATION (DECELERATION) Volets > 0 Vitesse 60 Gaz =IDLE
Aucun contrôle visuel spécifique attendu DEC_volets-[valeur] DEC_vitesse-[valeur] DEC_gaz-[valeur] REMISE DE GAZ (GO-AROUND) Volets 0
SI Hauteur < 300 ALORS Volets > 0 Vitesse 60
Gaz =TOGA TANTQUE Hauteur 1000 Hauteur 1000 Vz 0 TANTQUE Hauteur 1000 ASI VSI GAR_volets-[valeur] GAR_volets-[valeur] GAR_volets-[valeur] GAR_volets-[valeur] GAR_volets-[valeur]
Le tableau 10.1 présente quelques exemples de variables de situation avec les contrôles correspondants selon différentes phases. Le symbole « Vz » représente la vitesse verticale de
l avion, TOGA désigne le fonctionnement du moteur à pleine puisance et IDLE, le fonctionnement du moteur au ralenti. Les valeurs rapportées par les variables de situation sont, au cours de la conduite de cette expérimentation, « correct » ou « incorrect ».
Ces variables de situation ont été créées avec l aide d un pilote d avion de tourisme expérimenté
puis, validés par un pilote instructeur.
Pour illustrer, prenons les variables de situation la phase d accélération. Les contrôles du simulateur sur l état de l appareil vérifient que les volets sont en position « 1 », que la vitesse
courante est inférieure ou égale à nœuds et que le niveau des gaz est au maximum. Si ces paramètres sont validés, les variables de situation ACC_volets, ACC_vitesse et ACC_gaz sont enregistrées comme « correctes » ; sinon, elles sont reportées comme « incorrecte ». Si les visualisations enregistrées au cours de la phase rapportent que l indicateur de vitesse ASI) et
l indicateur de la puissance du moteur RPM), ont été vérifiés, la valeur de la variable de situation
ACC_ctrl est mise à « correcte » sinon, à « incorrecte ».
10.5. E
VALUATIONS10.5.1. Introduction
Nous présentons dans cette section les évaluations préliminaires conduites sur la généricité du modèle proposé pour la représentation de séquences perceptivo-gestuelles et du framework de traitement de ce type de séquences.
10.5.2. Collecte des données
Les données utilisées dans le cadre des évaluations présentées dans cette section ont été collectées à partir de 4 sessions de simulation réalisées par un pilote expérimenté. L objectif étant de démontrer l adaptabilité de nos propositions à des données différentes de celles liées au principal cas d étude de la thèse, le recrutement de plusieurs sujets n était pas nécessaire. Nous